斷層帶承壓水導(dǎo)升特性相似材料試驗(yàn)研究

武守鑫，劉 沖，史莉紅，張宏偉，張衛(wèi)強(qiáng)

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400)

在煤層開采過(guò)程中含水層水壓是底板突水的動(dòng)力來(lái)源，隔水層是抑制承壓水進(jìn)入工作面的“屏障”，而底板作為一種非連續(xù)結(jié)構(gòu)體在形成過(guò)程中往往會(huì)伴生斷層等大型斷裂構(gòu)造，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，底板突水事故的80%與斷層有關(guān)[1-2]，針對(duì)斷層的突水機(jī)理，許多學(xué)者從數(shù)值模擬、物理實(shí)驗(yàn)的角度作了大量的深入研究[3-6]，并得出了諸多有價(jià)值的結(jié)論。但是由于研究手段的限制對(duì)斷層帶內(nèi)部承壓水導(dǎo)升規(guī)律的研究較少，本文運(yùn)用自主研發(fā)的承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)及二維相似材料試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)采動(dòng)過(guò)程中斷層帶內(nèi)承壓水導(dǎo)升高度的變化情況進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 試驗(yàn)裝置改進(jìn)及安裝

試驗(yàn)前在試驗(yàn)臺(tái)底座兩側(cè)安裝前護(hù)板和后護(hù)板，形成安裝槽，然后將立方體水袋內(nèi)注滿水，嵌擠平鋪在安裝槽內(nèi)。立方體水袋上表面在長(zhǎng)度方向按試驗(yàn)方案要求以一定間隔開孔，在開孔部位安裝內(nèi)外嵌套的密封接頭，密封接頭上安裝寶塔變徑。T型三通將各段導(dǎo)升管及試驗(yàn)臺(tái)外側(cè)的監(jiān)測(cè)管連成一個(gè)整體后，將最下部一段導(dǎo)升管的下口插入到寶塔變徑頭上，監(jiān)測(cè)管用d10 mm的剛性套管進(jìn)行保護(hù)，其目的是為了保證監(jiān)測(cè)管路不被土體壓實(shí)，更加敏感的捕捉承壓水的導(dǎo)升狀況。每一段外伸的監(jiān)測(cè)管需安裝采集管，用于收集導(dǎo)升管上不同高度的水流量數(shù)據(jù)。在與立方體水袋連接前，先將隔膜式氣壓罐內(nèi)部的水囊內(nèi)注滿水，通過(guò)穩(wěn)壓氣泵向罐壁與水囊之間注入與立方體水袋初始水壓值相等的壓縮空氣，并通過(guò)穩(wěn)壓氣泵穩(wěn)壓，最后通過(guò)連接管將隔膜式氣壓罐的出水口與立方體水袋的進(jìn)水口相連接。承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

立方體水袋上部煤層在模擬開挖過(guò)程中，底板巖層應(yīng)力不斷釋放，當(dāng)導(dǎo)升管附近巖層有裂隙產(chǎn)生時(shí)，立方體水袋內(nèi)的水便會(huì)先進(jìn)入導(dǎo)升管并經(jīng)監(jiān)測(cè)管流出。立方體水袋導(dǎo)升孔分布見圖2，導(dǎo)升管局部圖見圖3. 隨著導(dǎo)升管內(nèi)水流導(dǎo)升高度的不斷增加，會(huì)造成立方體水袋內(nèi)的水壓值低于試驗(yàn)水壓值，而由于隔膜式氣壓罐內(nèi)的氣體壓力一直維持在與試驗(yàn)水壓值相等的恒壓狀態(tài)，所以在立方體水袋內(nèi)的水壓力出現(xiàn)下降后，隔膜式氣壓罐水囊內(nèi)的水便會(huì)在罐壁與水囊之間氣體壓力的擠壓作用下，通過(guò)連接管補(bǔ)充到立方體水袋中，使整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中立方體水袋內(nèi)的水壓一直維持恒壓狀態(tài)。隔膜式氣壓罐原理圖見圖4.

圖2 立方體水袋導(dǎo)升孔分布圖

圖3 導(dǎo)升管局部圖

圖4 隔膜式氣壓罐原理圖

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及模型鋪設(shè)

工作面走向長(zhǎng)1 725.3 m(至收作線處)，傾斜寬185 m，煤層平均厚度2.8 m，突水危險(xiǎn)源主要來(lái)自距煤層底部46 m的一灰含水層，一灰含水層頂界面隔水層承受太灰水壓為4.06～5.18 MPa，突水系數(shù)值為0.112 MPa/m，工作面內(nèi)發(fā)育有一條正斷層，斷層傾角60°，落差13 m，破碎帶寬度4 m. 根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》底板受構(gòu)造破壞塊段的臨界突水系數(shù)一般不大于0.06 MPa/m，正常塊段不大于0.10 MPa/m，因此本區(qū)域?qū)儆谕凰ｋU(xiǎn)性區(qū)域。工作面平面圖見圖5，底板地層綜合柱狀圖見圖6.

圖5 工作面平面圖

圖6 研究區(qū)域底板地層綜合柱狀圖

試驗(yàn)設(shè)備主要由二維相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和自制的承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)組成。根據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)的尺寸(1 900 mm×220 mm×1 800 mm)及開挖要求，最終該次試驗(yàn)的幾何相似比為Cl=1∶100，容重相似比為CP=1∶1.5，強(qiáng)度相似比為Cσ=1∶150，時(shí)間相似比為Ct=1∶10.

試驗(yàn)所用材料包括河沙、碳酸鈣、石膏及云母。該次試驗(yàn)在底板巖層中共布置16個(gè)應(yīng)力傳感器、5根導(dǎo)升管，4根布設(shè)在采空區(qū)的中部，距開切眼的距離分別為10 cm(編號(hào)D1)、28 cm(編號(hào)D2)、38 cm(編號(hào)D4)、65 cm(編號(hào)D3)，見圖7. 為監(jiān)測(cè)工作面推進(jìn)過(guò)程中斷層帶的活化特性，D5導(dǎo)升管沿?cái)鄬觾A角在斷層破碎帶內(nèi)布置，長(zhǎng)度為90 cm，從含水層一直延伸到煤層上部的粉砂巖中。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

因篇幅限制，本文僅以1-1、1-2、1-3測(cè)點(diǎn)為例對(duì)工作面采動(dòng)過(guò)程中底板巖層的應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)行研究，并且通過(guò)對(duì)D5導(dǎo)升管水流導(dǎo)升數(shù)據(jù)的分析來(lái)剖析斷層帶內(nèi)承壓水的導(dǎo)升特性。

圖7 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖

3.1 斷層帶附近巖層應(yīng)力演化規(guī)律

測(cè)點(diǎn)1-4、2-4、3-4、4-4均位于斷層保護(hù)煤柱內(nèi)，與斷層帶相距10 cm. 斷層帶附近底板應(yīng)力曲線變化見圖8. 由圖8可知，開采初期工作面距測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)所以各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值一直為0 MPa，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，斷層帶附近巖層應(yīng)力值不斷增加，在距開切眼55 cm處測(cè)點(diǎn)1-4的應(yīng)力值開始出現(xiàn)小幅遞增變?yōu)?0.02 MPa. 因測(cè)點(diǎn)4-4距煤層較遠(yuǎn)，所以其壓應(yīng)力的峰值僅為-0.01 MPa，此外由于該測(cè)點(diǎn)距含水層(柔性水帶)較近，在垂直向上的水壓力的作用下，底板應(yīng)力值在距開切眼90 cm處時(shí)上升為0 MPa，這一數(shù)值隨著工作面的向前推進(jìn)持續(xù)遞增，當(dāng)工作面回采結(jié)束時(shí)該測(cè)點(diǎn)處的底板已由采前的受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎洜顟B(tài)。

圖8 斷層帶附近底板應(yīng)力曲線變化圖

3.2 斷層帶內(nèi)承壓水導(dǎo)升特性研究

為研究斷層活化特性與防水煤柱留設(shè)寬度的關(guān)系，設(shè)計(jì)的煤柱寬度為20 cm，在此基礎(chǔ)上出于試驗(yàn)需要又向斷層帶方向推進(jìn)了10 cm.

圖9 斷層帶內(nèi)不同監(jiān)測(cè)管路水量變化圖

圖10 工作面推過(guò)設(shè)計(jì)停采線后不同監(jiān)測(cè)管路水量變化圖

因D5-1距含水層較近，所以在開采初期水流量便達(dá)到了9 mL/min，這一流量值要略大于同一標(biāo)高的D2-4及D1-4監(jiān)測(cè)管的8 mL/min. 主要原因是斷層作為一種結(jié)構(gòu)弱面其強(qiáng)度較低，所以在水壓力的作用下其裂隙擴(kuò)展的速率要大于結(jié)構(gòu)完整的巖層。

在開挖前期只有D5-1和D5-2兩個(gè)監(jiān)測(cè)管有水流流出，并且流量值一直比較平穩(wěn)，D5-1的流量值一直在12 mL/min左右，而D5-2的流量值基本維持在6 mL/min(圖9). 隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，斷層帶巖層開始受到支承壓力的影響，在距開切眼100 cm處(此時(shí)防水煤柱寬度為20 cm)測(cè)點(diǎn)D5-3也開始有水流流出。工作面推過(guò)設(shè)計(jì)停采線后不同監(jiān)測(cè)管路水量變化見圖10. 由圖10可知，此時(shí)的水流導(dǎo)升高度為40 cm，但水流量?jī)H為1 mL/min，這說(shuō)明此時(shí)D5-3與D5-2測(cè)點(diǎn)之間導(dǎo)水通道的發(fā)育并不是特別的充分，并且因?yàn)镈5-4監(jiān)測(cè)管(距煤層垂直距離為10 cm)未有水流流出，說(shuō)明此時(shí)工作面是安全的，這也間接的論證了該次試驗(yàn)所留設(shè)的煤柱寬度尺寸是合理的。

圖11 斷層帶承壓水導(dǎo)升高度變化圖

在工作面推過(guò)設(shè)計(jì)停采線后，開挖步距減小為2 cm并一直開挖到試驗(yàn)停采線所在的位置。由圖10可知，在工作面推過(guò)設(shè)計(jì)停采線2 cm后，D5-4和D5-5的出水量仍為0 mL/min外，其余4根監(jiān)測(cè)管的流量都顯著增加。在工作面推過(guò)設(shè)計(jì)停采線6 cm后，先前未有水流流出的D5-5(位于煤層上方2 cm處)流量值也變?yōu)? mL/min，說(shuō)明此時(shí)承壓水已基本導(dǎo)升到工作面所在高度。當(dāng)開挖到試驗(yàn)停采線時(shí)工作面與斷層帶之間保護(hù)煤柱的寬度僅剩10 cm，此時(shí)斷層D5-6測(cè)點(diǎn)(位于煤層上方14 cm處)的出水量也達(dá)到了1 mL/min，這說(shuō)明此時(shí)工作面頂板也將受到承壓水的威脅(圖11).

3.3 斷層帶附近裂隙發(fā)育規(guī)律研究

保護(hù)煤柱寬度不同時(shí)，斷層頂板附近裂隙發(fā)育圖見圖12. 由圖12可知，工作面推進(jìn)到距斷層帶35 cm處時(shí)，斷層下盤區(qū)域才有輕微的剪切裂隙產(chǎn)生，該裂隙的發(fā)育高度為10 cm，角度約為60°，寬度為1 mm. 在工作面推進(jìn)到設(shè)計(jì)停采線時(shí)(此時(shí)保護(hù)煤柱寬度20 cm)，該裂隙的長(zhǎng)度僅增加了2 cm，并且整個(gè)保護(hù)煤柱上方區(qū)域都未發(fā)現(xiàn)其他的裂隙。當(dāng)工作面開挖到試驗(yàn)停采線時(shí)(此時(shí)保護(hù)煤柱寬度10 cm)裂隙的發(fā)育高度已為18.5 cm，與此同時(shí)D5-5監(jiān)測(cè)管路也出現(xiàn)了有水流流出的跡象，這說(shuō)明此時(shí)斷層帶內(nèi)部已有導(dǎo)水通道形成。

圖12 保護(hù)煤柱寬度不同時(shí)斷層頂板附近裂隙發(fā)育圖

4 結(jié) 論

1) 承壓水導(dǎo)升系統(tǒng)不僅使得含水層對(duì)底板巖層的力學(xué)效用得以體現(xiàn)，而且實(shí)現(xiàn)了煤層開采過(guò)程中斷層帶內(nèi)水流量及水流導(dǎo)升高度的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

2) 保護(hù)煤柱底板區(qū)域內(nèi)以壓應(yīng)力為主，回采結(jié)束后含水層鄰近巖層在水壓力的作用下已由壓縮狀態(tài)過(guò)渡到膨脹狀態(tài)。

3) 合理的防水煤柱尺寸可以有效抑制斷層活化，當(dāng)防水煤柱尺寸小于20 cm后斷層帶內(nèi)水流導(dǎo)升高度迅速遞增，工作面面臨突水風(fēng)險(xiǎn)。